周德強(qiáng) 李 勇 張秋菊 尤麗華

1.江南大學(xué)，無錫，214122 2.無錫國盛精密模具有限公司，無錫，214024 3.西安交通大學(xué)，西安，710049

0 引言

脈沖渦流檢測方法是近幾十年發(fā)展起來的一種新型無損檢測技術(shù)［1－3］。傳統(tǒng)的電渦流檢測將正弦電流作為激勵(lì)，而脈沖渦流的激勵(lì)電流為具有一定占空比的方波，因此，具有頻域?qū)?、信號穿透能力?qiáng)、精確度高以及無接觸、檢測成本低、對人身無害、對環(huán)境無污染及檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，可準(zhǔn)確測量出距離和厚度［4］。脈沖渦流厚度檢測的關(guān)鍵工作是脈沖渦流信號特征的提取。脈沖渦流檢測技術(shù)作為一種時(shí)域分析方法，包含有豐富的頻譜信息。在脈沖渦流缺陷檢測中，常采用峰值、峰值時(shí)間、上升時(shí)間三個(gè)特征量對缺陷進(jìn)行定量檢測與分類識別［5－7］。文獻(xiàn)［8－9］采用脈沖渦流時(shí)域信號峰值、過零時(shí)間、上升時(shí)間等特征量實(shí)現(xiàn)了對缺陷的定量檢測與分類識別，并在頻域里對脈沖渦流信號展開了研究，主要研究對象為缺陷的分類識別。文獻(xiàn)［10］對脈沖渦流缺陷信號進(jìn)行了頻域特征提取，研究了各次諧波分量的頻譜幅值，提出基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷的結(jié)論。Park等［11］提出了功率譜幅度特征量，并證實(shí)了該特征量在厚度檢測的可行性。本文的主要工作是采用脈沖渦流檢測裝置在鋁合金板上進(jìn)行厚度實(shí)驗(yàn)，針對目前脈沖渦流信號所提取的信號特征進(jìn)行了靈敏度與線性度分析，給出了最合適的特征值。

1 脈沖渦流厚度檢測裝置

1.1 脈沖渦流厚度檢測原理

脈沖渦流將一個(gè)重復(fù)的脈沖信號作為激勵(lì)信號。該激勵(lì)信號經(jīng)過功率放大后加載在激勵(lì)線圈兩端，激勵(lì)線圈就會產(chǎn)生脈沖電流。激勵(lì)線圈中的脈沖電流感生出一個(gè)快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流（脈沖渦流）。此脈沖渦流向?qū)w試件內(nèi)部傳播，又會感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的渦流磁場，隨著渦流磁場的衰減，檢測線圈上就會感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓。當(dāng)被測試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，該變化勢必對渦流分布產(chǎn)生影響，從而影響到磁場分布，檢測線圈或霍爾傳感器就會檢測到感應(yīng)出的電壓信號。該電壓信號包含很重要的材質(zhì)信息。所以通過測量瞬態(tài)電壓信號，就可以得到有關(guān)試件的厚度、尺寸、類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。

1.2 試驗(yàn)裝置

脈沖渦流厚度檢測系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由探頭（激勵(lì)線圈和檢測傳感器）、TRECSCAN系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡組成。激勵(lì)信號由MATLAB產(chǎn)生并通過數(shù)據(jù)采集卡NI PCI－6255轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出信號。電壓輸出信號經(jīng)過TRECSCAN系統(tǒng)輸出激勵(lì)電流，激勵(lì)信號的復(fù)頻率為200Hz，占空比為50%，時(shí)間常數(shù)為100μs。TRECSAN系統(tǒng)的輸出激勵(lì)電流兩端與激勵(lì)線圈兩端相接。激勵(lì)線圈采用圓柱形磁芯。脈沖渦流探頭內(nèi)徑為10mm，外徑為20mm，由線徑0.31mm的漆包線繞制而成（共繞了500匝）。檢測傳感器采用霍爾傳感器UGN3503，霍爾傳感器位于激勵(lì)線圈的底部中心，用來對受缺損擾動而產(chǎn)生的脈沖磁場的垂直分量進(jìn)行檢測?；魻杺鞲衅餍盘柦?jīng)過TRECSACN系統(tǒng)放大，并被數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率設(shè)置為500kHz。實(shí)驗(yàn)將階梯狀鋁合金作為試塊材料，試驗(yàn)試塊厚度為10mm，長度為400mm，寬度為30mm，如圖2所示。

圖1 脈沖渦流厚度檢測系統(tǒng)

圖2 試塊示意圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 時(shí)域信號特征提取

脈沖渦流信號分析主要在時(shí)域中進(jìn)行。在脈沖渦流缺陷檢測中，通常采用脈沖渦流差分信號進(jìn)行信號特征的提取。脈沖渦流差分信號為有缺陷的脈沖渦流響應(yīng)信號與無缺陷的脈沖渦流響應(yīng)信號的差值。所提取的特征主要為脈沖渦流差分信號的峰值、峰值時(shí)間等。在脈沖渦流厚度檢測實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號采用脈沖渦流厚度檢測響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)處理工作主要是對該脈沖渦流厚度響應(yīng)信號進(jìn)行特征提取，圖3所示為1mm厚的鋁合金脈沖渦流響應(yīng)信號。圖4所示為本文所提取的峰值特征結(jié)果。從圖4可以看出，脈沖渦流信號峰值特征隨著鋁合金厚度的增加而減小。根據(jù)脈沖渦流檢測原理可得

式中，Jeddy（z）為距離試件表面z處的渦流密度；z為渦流滲透深度；J0為試件表面的渦流密度；ω為激勵(lì)角頻率，ω＝2πf；f為激勵(lì)脈沖信號的重復(fù)頻率；σ為被測導(dǎo)體電導(dǎo)率；μ為被測導(dǎo)體磁導(dǎo)率。

圖3 脈沖渦流1mm厚鋁合金響應(yīng)信號

圖4 峰值與金屬厚度的關(guān)系

由式（1）可知，被測導(dǎo)體中感應(yīng)的渦流密度隨著金屬厚度的加大而呈指數(shù)下降。霍爾傳感器所測量的磁場由激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場與渦流產(chǎn)生磁場組成。因此，脈沖渦流響應(yīng)信號的峰值特征隨著金屬厚度的增加而減小。然而，在脈沖渦流檢測金屬厚度為2mm處，時(shí)域噪聲影響了檢測結(jié)果。

2.2 頻域特征提取

脈沖渦流將一個(gè)重復(fù)的寬帶脈沖作為激勵(lì)信號，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開公式，一個(gè)脈沖信號可以展開成含有基波和許多諧波成分的組合：

式中，A、ω0、t分別為激勵(lì)脈沖信號的幅值、角頻率和時(shí)間。

根據(jù)式（1）、式（2）可知，激勵(lì)信號中的不同頻率成分引起的渦流滲透深度不同。筆者對脈沖渦流缺陷信號進(jìn)行了頻域特征提取技術(shù)的研究，研究了各個(gè)諧波分量的頻譜幅值，提出脈沖渦流差分信號基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷的結(jié)論。本文采用快速傅里葉變換對脈沖渦流響應(yīng)信號進(jìn)行分析。圖5所示為1mm厚度的脈沖渦流響應(yīng)信號的快速傅里葉變換，從圖5以看出，脈沖渦流響應(yīng)信號的頻譜信號非常豐富。根據(jù)以前研究結(jié)果［10］，基頻分量的頻譜幅值能夠有效檢測深層缺陷，為此，本文提取了基頻分量的頻譜幅值。從圖6可以看出，基頻分量的頻譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，當(dāng)金屬厚度增加到9mm時(shí)，基頻分量的頻譜幅值近似保持常值，這與渦流滲透原理相一致。比較圖4與圖6可知，基頻分量的頻譜幅值與時(shí)域峰值均顯示出隨著金屬厚度的增加而減小的趨勢。然而，基頻分量的頻譜幅值能夠有效消除噪聲信號的影響。

圖5 脈沖渦流響應(yīng)信號的FFT變換

圖6 頻譜幅值與金屬厚度的關(guān)系

2.3 功率譜幅值特征提取

文獻(xiàn)［12］通過對激勵(lì)脈沖的頻譜分析，解釋了激勵(lì)脈沖在不同頻段的能量分布，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)激勵(lì)脈沖的能量與脈沖渦流的滲透深度密切相關(guān)。功率譜幅值作為一種新型脈沖渦流信號提取方法，不同于以上時(shí)域峰值與頻譜幅值在脈沖渦流厚度檢測中應(yīng)用，可以提高脈沖渦流厚度檢測的可靠性。Park等［11］提出了功率譜幅值特征量，指出脈沖渦流信號能量與金屬厚度相關(guān)，并證實(shí)該特征量在厚度檢測的可行性。本文采用該方法提取了脈沖渦流響應(yīng)信號的功率譜幅值并將其作為特征值。從圖7可以看出，功率譜幅值隨著金屬厚度的增加而減小，其變化趨勢與基頻分量的頻譜幅值相同，功率譜幅值也能有效消除噪聲信號的影響。

2.4 特征值歸一化分析

圖7 功率譜幅值與金屬厚度的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析與比較上述特征值對金屬厚度變化的靈敏度與線性度，選擇最合適的脈沖渦流厚度響應(yīng)信號的特征值。本文對提取的3個(gè)特征值（脈沖渦流厚度響應(yīng)信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值）進(jìn)行了歸一化處理。從圖8可以看出，功率譜幅值在3個(gè)特征值中對厚度變化的靈敏度最高，其次是頻譜幅值。從特征值與金屬厚度的線性度上分析，可以看出功率譜幅值在金屬厚度為1mm到7mm時(shí)線性度良好。功率譜幅值比頻譜幅值靈敏度高，這是因?yàn)楣β首V幅值與頻譜幅值滿足如下關(guān)系：

式中，Sf（ω）、F（ω）、N分別為脈沖渦流響應(yīng)信號的功率譜幅值、頻譜幅值和采樣點(diǎn)數(shù)。

圖8 歸一化特征值

根據(jù)式（3）可以得出，功率譜幅值與頻譜幅值都能表示脈沖渦流響應(yīng)信號的頻率結(jié)構(gòu)。然而，脈沖渦流響應(yīng)信號的功率譜幅值為脈沖渦流響應(yīng)信號頻譜幅值的平方，有利于突出脈沖渦流響應(yīng)信號的高幅值成分。因此，功率譜幅值在脈沖渦流金屬厚度檢測中最有效。

3 結(jié)論

（1）脈沖渦流厚度響應(yīng)信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值均隨著金屬厚度的增加而減小，但時(shí)域峰值易受噪聲影響。

（2）比較脈沖渦流厚度響應(yīng)信號的峰值、基頻分量的幅值、功率譜幅值的靈敏度與線性度可知，功率譜幅值在脈沖渦流厚度檢測中靈敏度最高，在金屬厚度為1mm到7mm線性度良好。

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